（道路与铁道工程专业论文）排水性环氧改性沥青混合料研究.pdf

摘要 近年来，随着我国公路建设的迅猛发展，对道路的使用功能也提出了越来越 高的要求。如何使路面既有足够的耐久性又具有良好的表面功能( 防滑、防水漂、 抑制溅水起雾、减少眩光、降低噪音) 是当前困惑我国公路乔的一大难题。大孔隙 排水性沥青路面，因其良好的表面排水、抗滑及降噪功能，日益受到重视。然而 目前普通改性沥青的排水性沥青混合料，虽然通过改性后混合料的综合性能都得 到了提高，但提高的幅度都很小，从已有的实体工程来看，主要还是路面的耐久 性差强人意，出现了早期损害和水损害，表现为剥落、早期松散、甚至是推移、 车辙。特别对于山区公路长上坡路段、匝道转弯路段、城市道路交叉口、公共汽 车停靠站等，这些特殊路段最易产生车辙及推拥病害，如何使这类特殊路段同时 具有足够的抗滑性能、强度和耐久性已经成为公路界公认的大难题。 本文以排水性环氧改性沥青混合料为研究对象，研究其级配组成、混合料设 计及路用性能，以期能对我国排水性路面的研究工作及推广使用提供一些有价值 的探索性研究成果。 本文首先分析排水性沥青混合料空隙率的影响因素，通过均匀设计方法设计 试验，对混合料的空隙率与各主要筛孔孔径的通过率之间的关系进行回归，得到 了各主要筛孔孔径的通过率与混合料空隙率的响应关系，找出影响混合料空隙率 的关键因素。在此基础上，进一步确定了排水性环氧改性沥青混合料的合理级配。 之后，通过各种混合料常规的结构性能测试，与其它两种排水性沥青混合料的路 用性能试验验证比较，证明了排水性环氧改性沥青混合料既具有良好耐久性和强 度性能，又具有优越表面抗滑、排水降噪和防腐蚀等功能。 关键词：排水性；环氧改性沥青；均匀设计；空隙率；析漏试验；飞散试验 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h er o a dc o n s t r u c t i o ni nc h i n ai nr e c e n ty e a r s ，t h e r e q u i r e m e n t st or o a d s f u n c t i o nb e c o m e m o r ea n dm o r es t r i c t i ti sab i gp r o b l e mf o rt h e r o a dc o n s t r u c t e r st ok e e pt h er o a d sp e r f o r mw e l lb o t hi nd u r a b i l i t ya n ds u r f a c ef u n c t i o n ( s k i dr e s i s t a n c e ，w a t e rf o gr e s i s t a n c e ，d a z z l i n gr e d u c t i o n a n dn o i s er e d u c t i o n ) a sa r e s u l t ，p o r o u sa s p h a l tp a v e m e n t ，w i t ht h eg o o ds u r f a c ef u n c t i o no fd r a i n a g e ，s k i d r e s i s t a n c ea n dn o i s er e d u c t i o n ，i sb e i n ge m p h a s i z e dg r a d u a l l y i nt h i sp a p e rt h eg r a d a t i o n ，m i x t u r ed e s i g na n dp e r f o r m a n c eo ft h ep o r o u sa s p h a l t m i x t u r ea r er e s e a r c h e dw i t ht h ea i mt op r o v i d es o m ev a l u a b l er e s u l t st ot h er e s e a r c h a n da p p l i c a t i o no ft h ep o r o u s a s p h a l tp a v e m e n ti nc h i n a f i r s t l yt h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h ep o r o u sa s p h a l t m i x t u r e sa i rv o i dw e r ea n a l y z e d i nt h i sp a p e r b a s e do nt h eu n i f o r md e s i g na n dp l e n t yo fl a b o r a t o r yt e s t s ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea i rv o i do f t h ep o r o u sa s p h a l tm i x t u r ea n dt h ep a s s i n gr a t i o so fm a i n s i e v es i z e sw a sr e g r e s s e d a n dt h em a i nf a c t o r sa ti n f l u e n c e st h em i x t u r e sa i rv o i dw a s f o u n d a n dt h e n ，t h er e a s o n a b l eg r a d a t i o no ft h ep o r o u sa s p h a l tm i x t u r ew a s r e c o m m e n d e da c c o r d i n gt ot h ea i m e dr a n g eo ft h ea i rv o i d s t h e ，t h em i x t u r et h r o u g hav a r i e t yo fc o n v e n t i o n a lp e r f o r m a n c et e s t i n g ， a n dc o m p a r e dw i t ho t h e rt w op o r o u sa s p h a l tm i x t u r e ，t op r o v et h a tt h ep o r o u s e p o x y m o d i f i e da s p h a l tm i x t u r ei sn o to n l yag o o dd u r a b i i i t ya n ds t r e n g t h o fp e r f o r m a n c e ，b u ta l s oh a ss u p e r i o ra n t i - s l i d i n gs u r f a c e ，d r a i n a g e ， r e d u c e dn o i s e a n da n t i c o r r o s i o nc a p a b i l i t i e s k e y w o r d s d r a i n a g e ；e p o x y - m o d i f i e da s p h a l t ；a i rv o i d ；u n i f o r md e s i g n ； s c h e l l e n b e r gb i n d e rd r a i nd o w nt e s t ；c a n t a b r ot e s t 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位做作者签名：昂， 会琴幺 日期：力矿矿孑年争月歹日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文。 文作：茜彳臭琴杰燧名伽氐 ? 日期：矽钐年印月r 日 日期穆年 驴月“夕日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 国内外研究应用概况 国外研究与应用 排水性沥青混合料起源于欧洲。1 9 6 0 年德国首次建设此种材料的路面，称为 p o r o u sa s p h a l t ，即大孔隙或排水型路面；在英国称为p e r v i o u sm a c a d a m ，即大空 隙沥青碎石。在美国，排水性沥青混合料一般用作路面的磨耗层，称为o p e ng r a d e d a s p h a l tf r i c t i o nc o u r s e ，简称为o g f c ，即开级配沥青磨耗层。从7 0 年代末以 来，排水性沥青混合料在国外高等级公路上得到了较多应用。例如，比利时于1 9 7 9 年开始铺筑了2 7 0 0 m 2 的排水性沥青路面；法国在收税高速公路上1 0 的表面层养 护也使用了多孔隙沥青混凝土。白1 9 9 0 年起，因为多孔隙沥青混合料的堵塞问题 和冬季养护问题，法国这种沥青混合料用量减少，在市区道路上不再使用。意大 利高速公路上已大量使用多孔隙沥青混合料，以减少交通噪声、改善雨天抗滑性 能和消除溅水的危害。到9 0 年代初，在意大利己铺筑了1 2 x1 0 6 m 2 的多孔排水性 沥青面层。荷兰公共工程部决定在交通量3 5 0 0 0 辆天以上的所有道路上及要求低 噪声的道路上，特别在高速公路上尽可能使用排水沥青面层心1 。 欧洲排水性路面的空隙率起初为1 5 ，为防止孔隙堵塞以维持排水功能，设 计施工时往往将空隙率取为2 0 。美国因排水性路面粒径较小，以抗滑性能为主， 轻微的堵塞对抗滑性能不会有太大影响，因而空隙率只要求1 5 。对于混合料的 设计，欧洲认为由于多孔沥青混合料的特殊粒状结构，不能采用已有的配合比设 计方法，特别是马歇尔法与劈裂试验，同时对车辙试验的适用性也提出疑问。美 国在o g f c 的配合比设计中没有采用力学试验，这是因为己有了一定的经验积景， 沥青用量根据粗集料的沥青当量，利用经验公式算出沥青用量在6 以上。此外， 还进行混合料中沥青的析漏试验口1 。 日本从8 0 年代后期开始这方面的试验研究。虽然起步较晚，但发展较快，目 前已形成较为完善的排水性沥青混合料设计方法。为了研究排水路面技术方面的 课题，日本建设省委托土木研究所进行室内试验，并让各地建设局做了试验路， 最终由日本道路协会指定并发行排水路面技术指南。指南指出，排水路面面层部 分的透水层厚度以4 - 5 c m 为准，但可根据性能要求增减厚度。为了评价排水性沥 青路面的耐久性，日本对车辙、平整度、开裂率等一般的路面性能也进行了跟踪 调查。跟踪调查表明，随着时间推移，排水性沥青路面与普通沥青路面的车辙变 化量几乎相同。可见，排水性沥青路面面层与普通沥青路面面层具有同等程度的 第一章绪论 耐久性。日本认为，排水性沥青混合料因在马歇尔稳定度试验时与普通沥青混合 料表现不同，故用马歇尔试验进行排水性沥青混合料配合比设计并不合适，但可 作为参考的试验。此外，由于还没有确立与路面使用性能相对应的混合料强度的 试验方法，所以趋向于尽量多使用沥青，用以确保路面强度。因此，在现行的排 水性混合料的配合比设计中，最佳沥青用量等于最大沥青用量，而最大沥青用量 通过析漏试验确定。为了防止排水性沥青混合料骨料飞散和渗透水的侵蚀，日本 大约从1 9 9 0 年开始使用专门为排水性沥青路面研制的高粘度改性沥青。最近日本 道路公团规定，所有管辖的新建或改建的高速公路表面层必须采用排水性沥青路 面。 国内研究与应用 我国对排水型沥青路面的研究与应用起步较晚。排水性沥青路面结构在我国 首先是在城市道路上应用，北京、广州等大城市在2 0 世纪9 0 年代都先后铺设了 试验路和实体工程。 为了提高雨天行车的安全性，降低交通噪音，防止路面积水，改善道路环境， 杭州在2 0 0 5 年“一纵三横”的道路整治过程中大量使用了排水沥青路面面层。鉴 于排水式沥青混凝土路面为国外引入的先进技术，国内城市道路使用较少，没有 现行的施工及验收规范。在杭州体育场路、曙光路、万松岭隧道等路面进行试验 段工程建设基础上，制定了排水式沥青混凝土面层( o g f c ) 技术规定( c j s 0 1 2 0 0 5 ) ， 主要对原材料质量、沥青混合料路用性能、施工工艺、质量验收体系进行了规定， 取得了比较好的建设效果。 公路行业在2 0 世纪9 0 年代后期开始研究使用排水性沥青路面。2 0 0 0 年，西 安公路研究所伍石生等人开展了“低噪音沥青路面技术研究”，并在西安到成阳 的高速公路上进行了试用，效果良好。由江苏省省高指、交通部公路公路科学研 究院和东南大学联合承担的江苏省交通科学研究计划项目江苏排水性沥青路面 应用技术研究，以盐通高速为依托工程，进行了排水性沥青路面沥青结合料性 能研究、标准的制定，开展了重载条件下排水性沥青混合料配合比设计方法研究， 探讨了排水性路面排水机理及边缘排水设计方法，为今后排水性路面的应用和实 施奠定了理论基础h 1 。 交通部公路研究所先后在济青高速公路，京沪高速公路( 河北段) 铺设了试验 路。但路用性能都难以满足我国高速公路对面层混合料的路用性能要求，特别是 车辙性能均在2 0 0 0 次以下。表1 1 为京沪高速公路( 河北段) o g f c 试验路性能 指标，从表中看出，混合料的动稳定度仅为1 8 0 0 次m m ，不能达到3 0 0 0 次m m 的 高等级公路路面规范要求，更无适应我国高速公路交通辆大，超载现象严重的情 况，其主要原因是采用改性沥青粘度较低哺1 。 第一章绪论 表1 1 京沪高速公路( 河北段) o g f o 试验路性能指标 沥青川量密度孔隙率矿料间隙率沥青饱和度动稳定度残罔稳定 ( ) ( g m 3 ) ( )( ) ( )( 次m m )度( ) 4 1 2 0 8 3 1 9 22 7 7 3 3 31 8 3 2 8 9 4 1 1 2 已有排水性沥青混合料的不足 普遍存在的病害 由于排水性沥青混合料中的粗集料含量较多，达8 0 左右，沥青用量必然降 低。而现有的排水性沥青混合料，使用的普通沥青或改性沥青结合料，出现了较 多的病害，最典型的病害就是骨料的剥落、飞散，其次是车辙病害。已有排水性 沥青混合料存在的耐久性差，抗疲劳性能、耐老化性能也很有限等问题，一方面 与排水性沥青混合料结构有关，另一方面与所使用的胶结料有关。 1 ) 骨料剥落、飞散 对于骨架嵌挤型的排水性沥青混合料，出现骨料剥落、飞散的病害概率棚对 较高，如图1 1 。主要是因为结合料相对较少，骨料结合面小。同时，后期山于 结合料老化、雨水侵蚀破坏，会加速骨料的剥落和飞散，因此排水性沥青混合料 在保证空隙率的前提条件下，应尽量增加沥青膜的厚度，提高0 0 7 5 m m 的通过率。 但这样一来，由于沥青胶浆的增多，会出现离析和堵孔，失去排水性沥青混合料 的本质意义；而且胶浆“润滑剂 的存在，后期经过高温软化，甚至出现泛油和 车辙等病害。 图1 1 骨料录9 ；苔、色散 2 ) 车辙 车辙是已有的排水性沥青混合料常见的病害之- - - - 0 车辙分为压密型车辙和失 稳性车辙( 结构性车辙) ，压密性车辙主要是由于排水性沥青路面雨：使用过程中， 沥青混合料在高温和外荷载作用下的累积变形，这种累积变形属于骨架之问的剪 切流动变形。失稳性车辙属于结构性破坏，一方面是由于骨料级配偏粗，导致骨 架结构不能形成嵌锁结构：另一方面是由于路面结构的自下而上的失稳破坏。 第一章绪论 研究表明，排水性沥青混合料的热稳性与沥青结合料的粘度有很大相关性， 沥青6 0 度粘度越大，混合料热稳定性越好。排水性沥青混合料一般要求采用高粘 度改性沥青，日本要求大于2 0 0 0 0 p a s 。车辙如下图1 2 。 图1 2 车辙 3 ) 抽吸、唧浆 抽吸、唧浆指基层或水泥混凝土板隙破坏，产生的浆体在荷载作用下反射上 路表，对于大空隙的排水性沥青混合料， 相比普通路面，唧浆通过其较大而且连 通的空隙抽吸至路表，可以在路面无较 大破坏情况下发生，如右图1 3 。 发生这种病害主要原因是已有排水 性沥青混合料的失粘，局部出现颗粒飞 散，下层在水和荷载不断作用下出现破 坏，最终雨水渗透至基层，形成浆液， 反射上来。 4 ) 局部流动变形 流动变形经常发生在刹 车、重载路段和转弯路段，表 现为路面整体的滑动变形，在 路面投入使用初期比较常见， 大多伴随着纵向的开裂。出现 这种病害的主要原因是所用的 沥青结合料提供的黏聚力不足 够高，反映到沥青混合料上就 是整体抗车辆的水平剪切力不 足。如右图1 4 所示。 图1 3 抽吸、唧浆 图1 4 局部流动变形 第一章绪论 5 ) 其他病害和破坏形式 汽车漏油对于路面的破坏比较常见，对于已有排水性沥青路面，渗漏的气油 通过空隙渗透至排水性沥青路面的中部或底部，稀释沥青，破坏了骨架结构，形 成脱空和空洞，如下图1 5 所示。这种病害是现有排水性沥青混合料无法避免的， 原因是由于其使用的改性沥青结合料中，沥青在结合料改性后性质没有改变，只 是一般的物理改性，所以无法改变它的油类腐蚀性。 图1 5 其他病害和破坏形 综合以上现有排水性沥青典型病害，最直接原因还是现有排水性沥青混合料 使用的改性沥青结合料使用性能不足。针对这些不足，道路工作者做出了很多研 究，通过各种改性材料、改性方法来提高其各种性能，但从已有实体工程来看， 因为材料成本等原因，使用的改性沥青都没有从根本上解决l 述的问题。 使用的局限性 排水沥青路面的特殊路用性能使得它在许多国家正日益受到重视，欧洲国家 铺筑这种路面主要注重其排水、抗滑、降低噪声功能。美国称这种路面为丌级配 沥青磨耗层( o g f c ) ，主要注重改善路面抗裂能力，增加抗车辙能力，提高抗滑 性能。同本则除考虑以上路用性能的改善、提高外，还注意考虑用在城市道路时 对生态环境的保护。我国现阶段注重的主要还是其抗滑性能，但是现有的排水性 沥青混合料，由于其材料性能上的不足，很多地方不适用，特别是一些特殊路段， 在路面要求具有高强度和高抗滑性能的前提下，现有排水性沥青混合料表现出其 很大的局限性。现有排水性沥青路面不适合以下情况： 1 ) 急停急走的公共汽车停靠站 2 ) 水平剪切力较大路段，如交叉口、刹车频繁区； 3 ) 纵坡较大路段避免使用，如山区公路长上坡路段； 4 ) 急弯处等应避免使用，如匝道转弯路段； 5 ) 比较容易受到油类污染的路段。 第一章绪论 现有排水性沥青混合料的不足，使得上述特殊路段在使用排水性沥青混合料 时，容易现早期破坏，出现不断修补不断破坏的“恶性循环”。要彻底改变这种 状况，开发出一种新的更高性能的混合料是唯一出路。 1 1 3 环氧改性沥青混合料的突出性能 环氧改性沥青是将环氧树脂加入沥青中，经与固化剂发生固化反应，形成不 可逆的固化产物，其固化反应使沥青从热塑性转变为热固性，因此环氧改性沥青 具有比普通沥青优异得多的物理、力学性能，如高强度、优良的抗疲劳性能、良 好的耐久性及抗老化性能等嘲。g a l l a g h e r 6 3 7 3 等称之为热固性沥青。 用环氧改性沥青所拌制的沥青混凝土，与普通沥青混凝土相比较，或者与其 它热塑性的改性沥青混凝土相比较，它们在性能上有很大差别。环氧改性沥青混 凝土的特性主要表现在以下几方面： 强度高 环氧改性沥青混凝土强度高、变形小、刚度大。壳牌石油公司所配制的环氧 沥青混凝土，其马歇尔稳定度可以超过4 5 k n ，而普通沥青混凝土的稳定度仅8 1 2 k n ，相差达4 5 倍。虽然马歇尔稳定度并不是标准的力学指标，但反映出环氧 改性沥青混凝土的高强性能是毫无疑问的哺，。 优良的耐疲劳性能 环氧改性沥青混凝土由于强度高，故在同样的疲劳应力作用下，表现出极其 优良的耐疲劳性能，几乎是普通沥青混凝土疲劳寿命的1 0 3 0 倍。 澳大利亚西门大桥管理局曾经将沥青混凝土试件粘贴在钢板上进行应变弯曲 疲劳试验，试验结果表明环氧沥青混凝土的疲劳寿命为5 1 0 6 次，而普通沥青混 凝土仅0 2 9x1 0 6 次，两者相差达1 7 倍之多凹 。 壳牌石油公司对环氧改性沥青混凝土和普通沥青混凝土分别进行了弯曲疲劳 试验，在循环至破坏时，其常变形为1 o m ，加载频率为5 h z ，试验结果如表1 2 。 表1 2 环氧改性沥青混凝土的弯曲疲劳 t a b i e1 2 b e n d i n gf a t i g u eo fe p o x ya s p h a i tc o n c r e t e 结合料用量环氧沥青混凝土普通沥青混凝土 6 1 0 1 0 63 0 1 0 4 7 2 0 1 0 6 2 0 1 0 5 第一章绪论 显然，优良的耐疲劳性能是环氧改性沥青混凝土的重要特点。因此，采用这 种材料作为道路路面和桥梁以及其它场所的铺面能够大大延长路面或铺面的使用 寿命。 良好的耐久性 普通沥青混凝土如有柴油等燃油渗入，将会使沥青失去粘结力而松散。环氧 沥青混凝土却不怕燃油的侵蚀。壳牌石油公司曾经做过有趣的对比试验，他们将 环氧沥青混凝土和普通沥青混凝土试件分别放在柴油中浸泡，2 4 h 后普通沥青混 凝土试件已经泡软，棱角松散脱落，而环氧改性沥青混凝土经过一个月浸泡后仍 然完好无损。 环氧改性沥青混凝土的许多性质，如强度、刚度、耐久性等方面都与水泥混 凝土十分相似，同时在很多方面又具有沥青混凝土的优良性能。 1 2 本研究课题的提出 出现的问题 对于山区公路长上坡路段、匝道转弯路段、城市道路交叉口、公共汽车停靠 站等，这些特殊路段最易产生车辙及推拥病害。这些路段本身就需要比较好的抗 滑性能，但现有排水性沥青混合料的不足，却使其在此出现了“失职”。如何使 这类特殊路段同时具有足够的抗滑性、强度及耐久性已经成为公路界公认的大难 题。 解决问题的思路 排水性大孔隙路面结构具有优良的排水、抗滑、降噪性能；环氧改性沥青混 凝土不但具有高强度，而且提供了优良的高温稳定性、水稳定性、低温抗裂性、 耐化学腐蚀等性能。环氧改性沥青运用到排水性路面结构，可以保证排水性环氧改 性沥青混合料具有优良的路面力学性能和路面使用性能，从而比较好地解决了道 路工程界中关于沥青混合料功能性与结构性能之间的矛盾。特别是针对上述特殊 路段，要求同时具有足够的抗滑性能、强度及耐久性，采用该混合料路面结构就可 以很好解决这类难题。 1 3 主要研究内容 我国对于排水性沥青路面的研究还处于起步阶段，许多问题有待解决。本文 的研究工作以排水性环氧改性沥青混合料为对象，研究其级配组成、常规力学性 能及路用性能。具体的研究内容及步骤如下： 第一步，通过均匀设计进行排水性沥青棍合料的影响因素分析，回归混合料 空隙率与各主要筛孔孔径通过率之间的关系，找到影响空隙率的关键因素。 第一章绪论 第二步，在第一步基础上，对于最大公称粒径1 3 2 m m 选择2 0 为目标空隙率， 确定排水性环氧改性沥青混合料的合理级配，并进行混合料配合比设计。 第三步，对于确定的最终级配，选择s k 高粘、自制高粘改性沥青和环氧改性 沥青作为结合料，进行全面的性能对比试验，验证排水性环氧改性沥青混合料的 优异性能。 第四步，根据性能试验的结果，结合环氧改性沥青结合料的固化特性和排水 性混合料开级配的结构特点，在借鉴已有的实体工程( 普通环氧改性沥青混合料、 普通排水性沥青混合料施工工艺) 基础上，提出了排水性环氧改性沥青混合料的 施工工艺及控制要点。 8 一 第二章原材料选择及混合料强度形成机理 第二章原材料选择及混合料强度形成机理 2 1 原材料组成 抗滑表层暴露于大气，受自然界的各种腐蚀、老化和蜕变作用，同时又处于 路面的顶面，直接承受车轮的磨光、磨耗、冲击和压碎作用，所以抗滑表层的材 料要求是各路面层中最高的，抗滑表层的成败在很大程度上取决于其材料的品质。 抗滑表层所用的集料一定要物理力学性能优秀的矿料，沥青一定要符合重交通道 路沥青的标准，在混合料设计时最好采用改性沥青作为结合料。 2 1 1 集料 在设计排水性沥青混合料时时，考虑到该层既作为路面的抗滑表层又作为排 水层的特点对材料进行选择。排水性沥青混合料是一种大孔隙骨架结构，作为路 面抗滑表层与s m a 相似n 。两者都要形成石一石接触状态，同时又都作为路表面 的功能层，对抗磨耗上要求相似。所以在对集料的选择上，可以参考我国关于s m a 面层设计中对集料的相关要求。在此基础上比较已有排水性沥青路面使用成功经 验的其他国家和地区对集料的要求，分析其合理的选择方法，选择合理的材料。 粗集料 从排水性沥青混合料的成型机理可知，该混合料具备较高的高温稳定性是基 于含量甚多的粗集料之间的嵌挤作用。集料嵌挤作用的好坏在很大程度上取决于 集料石质的坚韧性、集料的颗粒形状和棱角性。可以说，粗集料的这些性质是排 水性沥青混合料成败与否的关键。因此，与普通的沥青混凝土相比，排水性沥青 混合料对粗集料的质量要求较高，粗集料必须使用坚韧的、有棱角的优质材料， 必须严格限制集料扁平颗粒的含量。花岗岩、石英岩、砂岩等酸性岩石往往具有 这些性质，但是它们与沥青的粘附性很差，必须采用掺加石灰、水泥即抗剥离剂 等措施。相比较而言偏碱性岩石玄武岩即能满足这些性质与沥青的粘附性能也不 错，建议采用破碎较好的玄武岩作为排水性沥青混合料的粗集料。 美国的试验证明，洛杉矶磨耗损失是粗集料的坚韧性的重要指标，与集料抗 破碎性能有良好的关系，如果洛杉矶磨耗损失小于2 0 符合最小的v m a 的要求就 不困难。参考美国的规范，要满足洛杉矶磨耗损失不大于3 0 的要求。 粗集料的针片状颗粒含量是个重要指标。有研究表明，集料的破损情况与粗 集料的针片状颗粒含量关系密切。我国采石场集料破碎机械比较落后，针片状颗 粒含量超标比较的问题非常突出。参考美国对于针片状含量的要求与我国s m a 对 针片状含量要求，规定要求针片状含量不大于1 5 。为了达到这一要求，必须改 变颚板式破碎为锤击式才有可能。 第二章原材料选择及混合料强度形成机理 考虑到排水性沥青混合料是大孔隙混合物，建议要增加说石料的压碎值的要 求，我国在公路沥青路面施工技术规范( j t j 0 3 2 9 4 ) 规定的抗滑表层的基 础上对抗压碎性能适当提高。因为排水性沥青混合料要达到很好石一石接触状态， 形成嵌挤结构与s m a 在这方面的要求是一致的，参照我国对s m a 的规定，要求压 碎值不能超过2 5 j 吸水率要求不大于2 。由于排水性沥青混合料的粗集料在与 s m a 的粗集料在形成最终混合料的机理上是一致的，所以排水性沥青混合料对粗 集料要求可以参照s m a 对粗集料要求。 细集料 细集料最好使用坚硬的人工砂，是因为人工砂有相当好的粗糙度，混合料抗 车辙能力强。人工砂是利用坚硬的石料反复破碎而制成的，它具有一定的粗细级 配，不同于从石屑中筛分出来的细颗粒碎屑，但比石屑的石粉数量要少，在采用 人工砂确实有困难时，细集料必须掺加一部分石质坚硬的石屑和粗砂，不宜全部 使用天然砂。美国规范要求细集料应该满足坚固性、棱角含量的要求。我国的s m a 对细集料有坚固性、表面粗糙度、棱角性、砂当量的要求。通过分析可以看出， 细集料的坚固性越大则耐久性就越好：细集料的表面粗糙度和棱角性对提高马歇 尔稳定度和车辙试验的动稳定度效果明显，对排水性沥青混合料就非常重要。在 这些要求上与s m a 是一致的，因此在排水性沥青混合料中对细集料的要求可以采 用公路沥青路面施工技术规范( j t j 0 3 2 - 9 4 ) 中规定的指标。 填料 矿粉在沥青混合料中的作用至关重要，沥青只有吸附在矿粉表面形成薄膜， 才能对其他粗细集料产生粘附作用，所以沥青矿粉混合料才是真正的沥青结合料。 因为排水性沥青混合料是一种孔隙很大的混合料，提高其排水抗滑的同时降低了 混合料的耐久性，要提高其耐久性粘结料的作用就非常重要，所以对矿粉的质量 应该严格要求。尽量采用磨细的石灰石粉。采用磨细石灰石粉、石灰石矿粉的亲 水系数都小于1 ，与沥青有良好的粘附性。同时矿粉的细度也应满足要求，小于 o 0 7 5 m m 的含量应大于7 5 。矿粉必须存放在室内干燥的地方，在使用时必须干 燥，不成团。 本研究课题粗集料采用玄武岩碎石，规格为s i o 、s 1 2 、s 1 4 ；细集料为石灰 石，规格s 1 6 ，填料采用石灰石磨细矿粉。各种集料的颗粒组成见表2 1 ；根据选 用集料检测其性能，实测指标见表2 2 第二章原材料选择及混合料强度形成机理 表2 1各种集料的颗粒组成 通过下列筛孔的( 质量) 百分率 ( ) 规格 1 6 01 3 29 54 7 52 3 6 1 1 80 6o 30 1 50 0 7 5 s i o1 0 0 07 6 84 10 10 1o 10 1o 1 0 10 1 s 1 21 0 0 0 9 7 62 3oooo00 s 1 41 0 0 08 9 35 10 3 00o0 s 1 61 0 0 08 2 95 3 62 6 61 1 o 5 61 9 矿粉 1 0 0 09 9 19 2 4 表2 2 各种集料的实测性能指标 措 石料压洛杉矶磨 毛体积相表观相对 针片状含量( ) 吸水率 癣薪 碎值耗值损失 粒径 粒径 对密度密度 ( ) 辔( )( ) 9 5 m m9 5 m m 、 s 1 01 2 46 42 7 6 02 8 9 57 8o 5 9 s 1 2 | 2 8 3 62 9 2 3 | 1 1 6o 8 0 s 1 5 tl 2 8 1 52 9 2 9 |l| s 1 6 | 2 6 9 32 7 6 4 ll| 矿粉tl| 2 7 1 2 l| 技术要求 2 52 8 | 2 6 0 01 21 82 o 2 1 2 结合料 沥青具有黏性和弹性，其表现为流动性和抗流动性。高温下，黏性占主导地 位，沥青易流动；低温下，弹性占主导地位，沥青表现出抗流动性。这些特性表 现为用沥青铺设的路面，在夏天高温季节，重载荷作用下易出现车辙，在冬天寒 冷季节，易出现温缩裂缝，这主要是由于沥青在高温条件下抗拉强度较低，而低 温条件下脆性大、柔韧性差。排水性沥青混合料少油大空隙率的结构特点，对路 面材料的强度、变形稳定性和疲劳耐久性等提出了较高的要求，同时在使用性能 上又提出了高黏结性和强透水等特殊要求。显然，如此高的性能要求是普通沥青 所无法胜任的，必须使用改性沥青。 改性沥青一般是指聚合物改性沥青，用于改性的聚合物种类很多，一般常用 的有天然橡胶( n r ) 、丁苯橡胶( s b r ) 、苯乙烯丁二烯嵌段共聚物( s b s ) 、聚乙烯( p e ) 、 乙烯醋酸乙烯共聚物( e v a ) 及环氧树脂( e p ) 等n 刳。国内主要通过填料和交联材料改 第二章原材料选择及混合料强度形成机理 性沥青刚钔。国外既有采用橡胶n 司又有采用环氧树脂n 5 1 8 1 来改性沥青的。纵观国内 外采用的改性方法，除采用环氧树脂改性方法外很难做到能同时提高沥青材料的 黏附力、拉伸强度及断裂延伸率。因此本课题利用具有优异性能的环氧改性沥青 来作为结合料。 在国内环氧改性沥青研究没有成熟的情况下，本课题直接以美国进口的环氧 改性沥青材料。该体系分为a 、b 组分，使用时直接按一定的比例( a ：b = i ：5 8 5 ) 混和。各组分及混和后的技术指标如表2 3 2 5 。 表2 3 组分a 技术指标 技术指标试验值 试验方法 粘度( 2 3 c ，泊) 1 1 0 1 5 0a s t md 4 4 5 环氧当量( 含1 克环氧当量的材料克数) 1 8 5 1 9 2 a s t md 1 6 5 2 颜色、加德纳( g a r d n e r ) 4a s t m9 1 5 5 4 含水量( )o 0 5 a s t m9 1 7 4 4 闪点( 克立夫兰敞口杯，) 2 0 0a s t md 9 2 比重( 2 3 ) 1 1 6 1 1 7a s t md 1 4 7 5 外观透明琥珀状目视 表2 4 组分b 技术指标 试验值 项目试验方法 i d 型v 型 粘度( p 1 0 0 ，厘泊) 8 0 0 1 4 0布氏粘度计 比重( 2 3 )0 9 8 1 0 20 9 8 1 0 2a s t md1 4 7 5 颜色黑黑 目视 酸值( m g ，氢氧化钾克) 6 0 8 04 0 6 0a s t md6 6 4 闪点( 克立夫兰敞口杯) 2 5 0 2 0 0a s t md9 2 表2 5组分a 和组分b 混合并固化后技术指标 试验值 技术指标试验方法 类型i d类型v 重量比( a ：b )1 0 0 4 4 51 0 0 5 8 5 抗拉强度( 2 3 c ，m p a ，最小值) 6 91 5a s t m d 6 3 8 断裂时的延长率( 2 3 ，最小百分比)1 9 02 0 0a s t m d 6 3 8 热固性( 3 0 0 ，)不熔化不熔化小试件放置在热板上 在1 2 1 c 下粘度增加至1 p a s 的时间( 分钟) 2 0 5 0参见试验 第二章原材料选择及混合料强度形成机理 由于排水性沥青混合料是骨架嵌挤结构，粗集料用料高达7 0 以上，采用普 通沥青难以实现骨料之间的相互约束限制作用，现有排水性沥青混合料一般采用 高粘度改性沥青，其中6 0 c 动力粘度是关键性指标。为了本课题的研究，在性能 测试时要进行排水性环氧改性沥青混合料与现有排水性高粘度改性沥青混合料的 比较，现给出高粘度改性沥青混合料的技术要求如下表2 6 ，方便理解。 表2 6 高粘度改性沥青技术要求 二父 我国技术规范 日本技术要求 检测项目、 针入度( 2 5 c ，l o o g ，5 s ) ( 0 1 m m ) 4 04 0 软化点( ) 8 08 0 延度( 1 5 ) ( c m ) 5 07 0 闪点( )2 6 02 8 0 粘韧性( 2 5 ) ( n m ) 2 02 0 韧性( 2 5 ) ( n m ) 1 51 5 6 0 c 粘度( p a s ) 2 0 0 0 0 2 0 0 0 0 质量变化( ) 0 3 残留针入度比( )7 5 2 2 混合料强度形成原理 2 2 1 沥青混合料的强度原理 沥青混合料作为一种重要的建筑材料，已被广泛用于公路路面的修筑。然而， 这种材料在荷载( 大气环境荷载和行车荷载) 的作用下，常常会发生软化、推移、 拥包、车辙、疲劳裂缝和温度裂缝等破坏现象，直接影响到路面的使用品质。这 些破坏现象的发生，从本质上来说，是由于某种强度的不足所致心们乜1 3 m 1 。沥青 混合料是由矿质骨料和沥青胶结料所组成的复合材料，它是一种具有空间网络结 构的多相分散体系3 。具有这种空间网络结构的沥青混合料，其强度构成源于两 个方面：是由于沥青的存在而产生的粘结力；是由于骨料的存在而产生的摩 阻力2 4 一嚣3 。 沥青与矿质集料之间相互作用是沥青混合料结构变形特性的决定性因素。沥 青与矿质集料相互作用后，沥青在矿料表面产生化学组分的重新排列，在矿料表 面形成一层厚度为6 。的扩散结构膜，如图2 1 所示，在此膜厚度以内的沥青称为 结构沥青，此膜以外的沥青称为自由沥青。结构沥青与矿料之间发生相互作用， 第二章原材料选择及混合料强度形成机理 1 4 ，_ 一 同时结构沥青的性质有所改变，而自由沥青与矿料距离较远，没有与矿料发生相 互作用，仅将分散的矿料粘结起来，并保持原来的性质。 ( 鸢醪至 y n 图2 1沥青与矿粉交互作用结构图 如果颗粒之间接触处由扩散结构膜所联结( 2 i b ) ，则促成沥青具有更高的 粘滞度和更大的扩散结构膜的接触面积，从而可以获得更大的颗粒粘结力，从而 增加了矿料之间的剪切力。反之，如颗粒之间接触处为自由沥青所联结( 如图 2 1 c ) ，则具有较小的粘结力，颗粒之间的剪切应力相应也较小。 按照物理化学观点，沥青与矿料之间的相互作用过程是一个比较复杂的、多 种多样的吸附过程，它们包括沥青层被矿物表面的物理吸附过程、沥青一矿料接 触面上进行的化学吸附过程、以及沥青组分对矿料的选择性吸附过程。 固体或液体的表面和它进行接触的液态或气态物质分子的粘结性质，以及对 气体或液体的吸着现象称为吸附。吸附分为物理吸附和化学吸附两种形态，当吸 附物质( 吸附剂) 与被吸附物质之间仅有分子作用力( 即范德化力) 存在时，则 产生物理吸附；当接触的两相( 沥青和矿料) 形成化合物时，则产生化学吸附。 在引力作用下发生的物理吸附作用，会在矿料表面形成沥青的定向层，此时， 被吸附的沥青不发生任何化学变化。在化学吸附的情况下，被吸附的沥青发生化 学变化。但是，化学吸附仅触及被吸附物质的一层分子，而物理吸附时，实际上 可能形成几个分子厚度的吸附层。 所谓沥青组分向矿料的选择性吸附，就是一相物质中的某一特定组分由于扩 散作用沿着另一相的微孔渗入其内部。当沥青与矿料相互作用时，选择性扩散吸 附性能主要取决于矿料的表面性质、空隙状况以及沥青的组分与活性。 第二章原材料选择及混合料强度形成机理 2 2 2 排水性环氧改性沥青混合料强度分析 排水性环氧改性沥青混合料属于开级配沥青混凝土，其混合料结构为骨架一 空隙结构。排水性环氧改性沥青混合料的强度虽然也是由两部分组成，但是两部 分提供的强度都很大，而不像传统的沥青混合料，要不就主要由结合料的粘结力 提供强度，要不就主要由粗集料的嵌挤提供强度，真是鱼和熊掌不可兼得。排水 性环氧改性沥青混合料，既具有粗集料“石一石”的高嵌挤力，又有细集料、沥 青及矿粉组成的混合物经固化的固化物整体，形成高强的粘结力，故不仅结构强 度非常高，而且混合料温度稳定性能也很好。而其他类型的排水性沥青混合料， 是以嵌挤力为主，沥青的内聚力为辅形成结果强度，一般其耐久性能都不理想。 下面分别分析结合料和集料级配提供强度的形成机理。 结合料 环氧改性沥青结合料对混合料提供的强度由环氧树脂固化物和环氧改性沥青 固化物及环氧改性沥青与集料之间的粘结力所构成。 1 ) 环氧树脂固化物 根据环氧树脂的固化反应机理可知，环氧树脂发生固化反应所需要的固化剂 的量是一定的，也就是说，按一定比例混合的环氧树脂和固化剂能够完全固化。 而且，根据环氧树脂的性质及其性能可以知道，环氧树脂固化物的强度是可靠的。 2 ) 环氧改性沥青固化物 7 在介质存在的情况下，环氧树脂质量分数较大的环氧沥青混合体系加入固化 剂后可以形成热固性的固化物，环氧树脂的质量分数较小时则仍然是热塑性的。 从理论上讲，环氧沥青混合溶液中，只要环氧树脂、固化剂所组成的这一相作为 连续相，而沥青作为分散相的时候，环氧树脂和固化剂才能形成一个热固性的连 续整体将沥青颗粒固定。如果沥青是连续相，环氧树脂和固化剂作为分散相即便 是发生了固化反应，也只能以小颗粒的形式分散在沥青中，这种情况下，沥青仍 然是热塑性的汹】。 黄坤等啮1 曾对环氧沥青固化物做过提取实验和红外光谱分析，实验使用的壳 牌9 0 # 沥青的成分主要是饱和烷烃，可能含有少量的芳香烃和硝基化合物，基本 没有活性的官能团。环氧沥青固化物的提取实验中，固化物的正己烷一丙酮提取物 的质量占固化物总量的5 1 1 0 ，结果表明：提取物的质量与加入的沥青质量相当。 提取物的红外光谱和沥青的红外光谱吻合，表明其中绝大部分是沥青，少部分可 能是非活性的增容剂或者未聚合的单体。因此被提取出来的黑色物质就是沥青。 这证明沥青没有参与环氧树脂和固化剂的交联聚合反应，而是以颗粒的形式被环 氧树脂和固化剂固定住。将环氧沥青的固化物加热，固化物不会熔化，沥青也不 第二章原材料选择及混合料强度形成机理 会析出。环氧沥青固化物的热固性是环氧树脂和固化剂赋予的，是环氧树脂和固 化剂作为连续相并且发生了热固性反应的结果。 3 ) 环氧改性沥青与集料之间的粘结力 对于结合料而言，它是由沥青、环氧树脂、固化剂和介质组成的混合物。环 氧树脂固化后，具有较好的稳定性，收缩性小，在热固性树脂中是最好的一种。 其粘结性能优良，既可以在常温下固化，也可以在高温下固化。固化物具有较高 的机械强度，对其抗拉强度可达4 6 7 0 m p a ，抗弯拉强度可达9 0 - 1 2 0m p a 瑚。 通过加入介质，理论上，经过足够时间固化反应后的固化产物是一种不可逆的物 质，这种物质具有足够的强度，具有高温( 3 0 0 ) 不熔、低温( 一1 5 c ) 不脆的 特点，单纯依靠这种固化产物本身的强度足以承受路面上的行车荷载。而我们知 道，石料本身的强度用作路面材料也是没有任何问题的，在沥青混凝土路面上出 现的种种破坏现象，无不是由于沥青本身的不良性能引起的，包括沥青的材料性 能和它与石料的粘结能力等。 东南大学的闵召辉等人口门通过剪切黏附试验方法，分别采用环氧沥青和普通 沥青作为结合料，采用花岗岩和石灰岩两种石料，在不同温度下进行试验。结果 表明，环氧沥青与石料之间的黏附剪切强度远大于普通沥青与石料之间的黏附剪 切强度，且石料的酸碱性对环氧沥青的黏附剪切强度影响较小。 从物理化学角度观察，环氧沥青与集料的相互作用为一种黏合作用，这种黏 合作用可以为机械握裹力，也可以为范德华力、化学键或静电吸引力。对于环氧 沥青和石料的之间的黏合作用，几种作用力均有贡献。由于固化过程中，环氧沥 青与石料